Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp mía đường giữ vị trí chiến lược trong cơ cấu kinh tế nông nghiệp Việt Nam, từng đưa nước ta vươn lên xếp thứ 14 trong tổng số hơn 100 quốc gia sản xuất đường công nghiệp trên thế giới. Dẫu vậy, đặc thù công nghệ chế biến đường đòi hỏi tiêu tốn lượng nước khổng lồ, dao động từ 26% đến 73% khối lượng mía nguyên liệu, đồng thời phát sinh lượng lớn bã thải, bùn lọc và khí thải lò hơi. Thực trạng này tạo ra áp lực ô nhiễm môi trường nghiêm trọng cho các nguồn tiếp nhận xung quanh nhà máy. Công ty Cổ phần Mía đường Sơn Dương (đóng tại xã Hào Phú, huyện Sơn Dương, tỉnh Tuyên Quang) vận hành với công suất ép trung bình 2.150 tấn mía/ngày, đạt sản lượng 22.556 tấn đường kính thành phẩm trong niên vụ 2015. Định mức sản xuất thực tế chỉ ra rằng để làm ra 1.000 tấn đường kính, doanh nghiệp phải tiêu tốn tới 9.337 tấn mía cây, 10 tấn than đá cùng 20.000 m3 nước, kéo theo chi phí dòng thải gia tăng và thất thoát vật chất đáng kể qua từng công đoạn.

Nhằm giải quyết bài toán cân bằng giữa tăng trưởng sản xuất và bảo vệ môi trường, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Khoa học Môi trường của tác giả Phạm Văn Biên tập trung nghiên cứu, nhận diện chính xác các dòng vật chất thất thoát, từ đó đề xuất hệ thống giải pháp Sản xuất sạch hơn (SXSH) toàn diện cho Công ty Cổ phần Mía đường Sơn Dương. Đề tài được triển khai trong phạm vi thời gian 17 tháng (từ tháng 3/2016 đến tháng 10/2017) tại toàn bộ khuôn viên nhà máy. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc lượng hóa dòng thất thoát, giảm thiểu từ 15% đến 20% chi phí xử lý cuối đường ống và tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí nguyên nhiên liệu đầu vào mỗi năm cho doanh nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng Lý thuyết Sản xuất sạch hơn do Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP, 1994) khởi xướng, kết hợp cùng Lý thuyết Cân bằng vật chất (Material Balance) và Phương pháp Quản lý chi phí dòng vật chất (MFCA). Khác biệt hoàn toàn với phương pháp kiểm soát ô nhiễm cuối đường ống (End-of-Pipe) vốn thụ động và tốn kém, Sản xuất sạch hơn là chiến lược phòng ngừa môi trường tích hợp liên tục nhằm giảm thiểu chất thải ngay tại nguồn phát sinh.

Hệ thống lý thuyết của đề tài xoay quanh bốn khái niệm nòng cốt: Quản lý nội vi (nâng cao ý thức vận hành, bảo dưỡng định kỳ với chi phí thấp); Tối ưu hóa quá trình sản xuất (hiệu chỉnh chuẩn xác các thông số nhiệt độ, áp suất, độ pH); Cải tiến, thay thế thiết bị; và Tuần hoàn tái sử dụng dòng thải tại chỗ. Phương trình cân bằng vật chất được thiết lập dựa trên nguyên lý bảo toàn: Tổng nguyên vật liệu đầu vào bằng Tổng sản phẩm đầu ra cộng Lượng chất thải phát sinh. Đồng thời, cấu trúc chi phí dòng thải được phân định rõ ràng thành Chi phí bên trong (giá trị nguyên liệu, đường, hóa chất thất thoát theo dòng thải) và Chi phí bên ngoài (chi phí vận hành trạm xử lý chất thải và phí bảo vệ môi trường đối với COD, SS).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa nguồn dữ liệu thứ cấp và sơ cấp trong suốt 17 tháng khảo sát. Dữ liệu thứ cấp được kế thừa từ các báo cáo sản xuất kinh doanh, báo cáo quan trắc môi trường định kỳ của công ty và số liệu thống kê ngành mía đường Việt Nam giai đoạn 1995–2015.

Đối với dữ liệu sơ cấp, phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng để lấy mẫu nước thải tại cống xả trước và sau hệ thống xử lý trong 02 đợt khảo sát điển hình (đợt 1 vào ngày 12/11/2016 ở đầu vụ ép và đợt 2 vào ngày 04/3/2017 vào giai đoạn chính vụ). Cỡ mẫu gồm 04 tổ hợp mẫu nước thải đơn và tích hợp được lấy và bảo quản nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn TCVN 5993:1995. Các chỉ tiêu hóa lý như pH, nhiệt độ, TSS, BOD5, COD, Sunfua, Nts, Pts, Tổng dầu mỡ và Coliform được phân tích tại phòng thí nghiệm chuyên chuẩn PETECH theo các phương pháp chuẩn TCVN 6492:2011, TCVN 6625:2000, TCVN 6001-1:2008, SMEWW 5520C:2012 và so sánh trực tiếp với QCVN 40:2008/BTNMT. Phương pháp chọn mẫu theo hai thời điểm đại diện vụ ép giúp phản ánh chuẩn xác tải lượng ô nhiễm thực tế dưới biến động công suất cực đại 2.150 tấn mía/ngày.

Toàn bộ dữ liệu được xử lý bằng phần mềm Excel để tính toán bảng cân bằng dòng vật chất và xác định các chỉ số kinh tế kỹ thuật như Giá trị hiện tại ròng (NPV), Tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR) và Thời gian hoàn vốn (PB). Tiếp đó, phương pháp thảo luận nhóm chuyên gia (gồm 07 cán bộ chủ chốt thuộc phòng Kỹ thuật - Máy, phòng Kế hoạch - Tài chính và bộ phận Môi trường) đã thống nhất ma trận đánh giá có trọng số gồm: Tiêu chí Kinh tế 40% (trọng số a=4), Kỹ thuật 30% (trọng số b=3) và Môi trường 30% (trọng số c=3) trên thang điểm từ 1 đến 3 để xếp hạng thứ tự ưu tiên thực thi các giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích cân bằng dòng vật chất tại Công ty Cổ phần Mía đường Sơn Dương đã chỉ ra những điểm nghẽn nghiêm trọng trong quy trình công nghệ Sunfit hóa:

Thứ nhất, lượng mía cây tiêu tốn để sản xuất 1.000 tấn đường kính trắng là 9.337 tấn, tuy nhiên tỷ lệ tạp chất và bùn đất lẫn vào nguyên liệu đầu vào chiếm trung bình tới 2,61% (tương đương 243,7 tấn đất cát, rác bẩn). Tạp chất cao làm giảm hiệu suất ép, mài mòn cơ học thiết bị và gia tăng lượng bùn thải cần xử lý.

Thứ hai, lượng bã mía phát sinh chiếm tỷ lệ 20% tổng khối lượng nguyên liệu đưa vào máy ép, đồng thời lượng hơi nước bay hơi thất thoát qua công đoạn ép nóng và cô đặc chiếm khoảng 5% tổng dòng nhập liệu. Mặc dù bã mía được tận dụng đốt lò hơi nhưng độ ẩm cao làm giảm hiệu suất sinh nhiệt và phát sinh lượng tro xỉ tương đương 1,2% lượng bã đốt.

Thứ ba, lưu lượng nước thải phát sinh rất lớn, tiêu hao khoảng 20.000 m3 nước cho mỗi 1.000 tấn đường thành phẩm. Kết quả phân tích mẫu nước thải trước xử lý ghi nhận nồng độ COD và BOD5 vượt nhiều lần giới hạn cho phép theo QCVN 40:2008/BTNMT, kèm theo lượng đường saccaroza thất thoát trong bùn bã thải dao động từ 1,5% đến 1,74%.

Thứ tư, nghiên cứu đã nhận diện được 18 nguyên nhân gốc rễ gây ra tổn thất vật chất, từ sự cố rò rỉ nhiệt trên các tuyến ống hơi, phân phối sữa vôi (34 m3/1.000 tấn đường) chưa tối ưu, đến hiện tượng bột lưu huỳnh thất thoát trong lò đốt SO2 xông tẩy màu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn tới tổn thất dòng vật chất và chi phí tại nhà máy là do hệ thống dây chuyền lắp đặt từ năm 1997 đã xuống cấp, kết hợp cơ chế thu mua mía theo trọng lượng thô thay vì hàm lượng đường (CCS). Dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa sinh động qua biểu đồ luồng Sankey, thể hiện rõ nhánh rẽ của 9.337 tấn mía nguyên liệu đầu vào thành 1.000 tấn sản phẩm đường tinh, 1.867 tấn bã mía thô, hàng trăm tấn bùn lọc và hàng ngàn mét khối nước ngưng thải ra môi trường.

Khi so sánh với các doanh nghiệp mía đường điển hình tại Việt Nam như Mía đường Bến Tre (nâng hiệu suất ép từ 95,74% lên 96,33% sau khi áp dụng SXSH) hay Mía đường Sông Con (tiết kiệm 2 tỷ đồng/năm và giảm 67% lượng H3PO4), tiềm năng cắt giảm chi phí của Sơn Dương là rất khả quan. Đề tài đã đề xuất 20 giải pháp SXSH tương ứng nhằm triệt tiêu 18 nguyên nhân thất thoát. Dựa trên bảng ma trận đánh giá đa tiêu chí, 16 giải pháp quản lý nội vi được xác định có thể tiến hành ngay lập tức, trong khi 3 giải pháp đầu tư chiều sâu được chứng minh đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật - môi trường vượt trội.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đánh giá thực tế, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp Sản xuất sạch hơn trọng tâm cho Công ty Cổ phần Mía đường Sơn Dương:

Chuyển đổi triệt để cơ chế thu mua mía theo chữ đường (CCS) kết hợp kiểm soát tạp chất:

  • Động từ hành động: Thiết lập trạm kiểm định chất lượng đường tự động tại bàn cân và điều chỉnh khung giá thanh toán trực tiếp theo độ đường thực tế của từng lô mía.
  • Target metric: Giảm tỷ lệ bùn đất, tạp chất từ 2,61% xuống dưới 1,5%; tăng tỷ lệ thu hồi đường sạch thêm 0,5% đến 0,8%.
  • Timeline: Triển khai trong 03 tháng đầu niên vụ ép.
  • Chủ thể thực hiện: Phòng Thu mua Nguyên liệu phối hợp với Tổ KCS và Ban Giám đốc công ty.

Cải tạo, nâng cấp toàn diện hệ thống xử lý và tái tuần hoàn nước thải sản xuất:

  • Động từ hành động: Tách riêng dòng nước làm mát, nước ngưng tụ nhiệt độ cao và nước rửa sàn để xử lý tuần hoàn khép kín phục vụ tưới bã ép và cấp nước lò hơi.
  • Target metric: Tái sử dụng trên 85% lượng nước cấp, cắt giảm lượng nước khai thác từ 20.000 m3 xuống còn khoảng 6.000 m3/1.000 tấn đường thành phẩm; thời gian hoàn vốn (PB) dưới 2 năm.
  • Timeline: Thi công trong 06 tháng giai đoạn bảo dưỡng nghỉ vụ ép.
  • Chủ thể thực hiện: Phòng Kỹ thuật - Máy phối hợp cùng Đội vận hành xử lý nước thải.

Thay thế hệ thống máy trống lọc bùn chân không cũ bằng thiết bị lọc bùn màng hiệu suất cao:

  • Động từ hành động: Đầu tư thay mới các cụm trống lọc đã quá niên hạn sử dụng để giảm thiểu lượng đường thất thoát theo bã bùn ra ngoài.
  • Target metric: Cắt giảm lượng đường saccaroza tồn dư trong bùn lọc từ trên 2,0% xuống dưới 1,2%, thu hồi thêm 15 đến 20 tấn đường thương phẩm mỗi vụ; đạt tỷ suất sinh lời nội bộ IRR trên 25%.
  • Timeline: Hoàn thành mua sắm và lắp đặt trong 09 tháng.
  • Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Dự án đầu tư và Phòng Kỹ thuật - Máy.

Tăng cường quản lý nội vi và bọc cách nhiệt bảo ôn toàn bộ mạng lưới đường ống cấp hơi:

  • Động từ hành động: Thay thế gioăng phớt rò rỉ, bọc bông thủy tinh cách nhiệt cho các van hơi và đường ống dẫn nhiệt từ lò hơi đến nồi nấu, nồi gia nhiệt.
  • Target metric: Giảm 12% thất thoát nhiệt năng, tiết kiệm 10 tấn than đá tiêu hao cho mỗi chu kỳ sản xuất và cắt giảm 8% đến 10% lượng khí thải CO2.
  • Timeline: Thực hiện thường xuyên, hoàn tất rà soát trong 01 tháng.
  • Chủ thể thực hiện: Toàn thể công nhân vận hành phân xưởng và đội bảo trì cơ điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Ban Giám đốc và đội ngũ kỹ sư vận hành tại các nhà máy chế biến mía đường:

  • Lợi ích: Tiếp cận bộ số liệu định mức tiêu hao nguyên liệu chuẩn (9.337 tấn mía/1.000 tấn đường) và 20 giải pháp SXSH thực chứng để ứng dụng trực tiếp vào việc cắt giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu suất ép và tối ưu hóa vận hành lò hơi.

Cán bộ quản lý môi trường tại Sở Tài nguyên & Môi trường, Sở Công Thương các địa phương:

  • Lợi ích: Sử dụng phương pháp luận kiểm toán dòng thải, công cụ cân bằng vật chất và dữ liệu quan trắc theo QCVN 40:2008/BTNMT làm tài liệu tham chiếu trong công tác thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường và giám sát xả thải công nghiệp.

Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học khối ngành Môi trường, Công nghệ Hóa - Nông nghiệp:

  • Lợi ích: Cung cấp khung phương pháp nghiên cứu mẫu mực về việc kết hợp giữa phân tích dòng vật chất (MFCA) với các chỉ số kinh tế kỹ thuật (NPV, IRR, PB) trong việc giải quyết bài toán môi trường công nghiệp thực tế.

Chuyên gia tư vấn kiểm toán năng lượng và tối ưu hóa sản xuất bền vững:

  • Lợi ích: Khai thác mô hình ma trận đánh giá có trọng số (Kinh tế 4, Kỹ thuật 3, Môi trường 3) nhằm xây dựng các báo cáo khả thi phục vụ tư vấn chuyển đổi xanh cho doanh nghiệp sản xuất nông sản.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao công nghệ Sunfit hóa lại phát sinh nhiều dòng thải cần kiểm soát tại Nhà máy đường Sơn Dương?

  • Công nghệ Sunfit hóa sử dụng khí SO2 xông trực tiếp kết hợp sữa vôi (34 m3/1.000 tấn đường) để tẩy màu nước mía. Quá trình này tạo ra lượng bùn lọc lớn chiếm từ 3,8% đến 5,0% khối lượng mía ép cùng lượng nước thải có nồng độ COD, BOD5 và Sunfua rất cao, đòi hỏi phải kiểm soát nghiêm ngặt ngay tại các bể lắng lọc.

Phương pháp cân bằng vật chất đóng vai trò gì trong việc nhận diện lãng phí sản xuất?

  • Phương pháp cân bằng vật chất đối chiếu chuẩn xác giữa tổng lượng nhập liệu (9.337 tấn mía, 20.000 m3 nước) và lượng xuất xưởng (1.000 tấn đường, bã mía, bùn lọc, nước xả). Nhờ đó, nghiên cứu định vị chính xác 18 nguyên nhân thất thoát, lượng hóa được chi phí mất đi theo dòng thải bên trong và bên ngoài để tập trung xử lý đúng trọng tâm.

Trong số 20 giải pháp SXSH được đề xuất, những giải pháp nào có thể triển khai ngay lập tức?

  • Nhóm 16 giải pháp quản lý nội vi có thể triển khai tức thì với chi phí đầu tư gần như bằng 0. Điển hình gồm: kiểm soát van khóa định lượng hóa chất, bọc bảo ôn đường ống hơi để giảm 12% thất thoát nhiệt, thu gom triệt để đường rơi vãi tại khâu đóng gói và siết chặt kiểm tra rò rỉ dung dịch trên đường ống.

Việc chuyển đổi sang thu mua mía theo độ đường (CCS) mang lại lợi ích cụ thể nào?

  • Cơ chế thu mua theo độ đường CCS khuyến khích nông dân loại bỏ rác bẩn, giảm tỷ lệ tạp chất từ 2,61% xuống dưới 1,5% và thu hoạch đúng độ chín. Điều này giúp nhà máy tăng tỷ lệ thu hồi đường thêm khoảng 0,5%, giảm định mức vôi, lưu huỳnh và cắt giảm đáng kể tải lượng bùn thải phát sinh.

Làm thế nào để duy trì tính bền vững của các giải pháp Sản xuất sạch hơn tại doanh nghiệp?

  • Doanh nghiệp cần duy trì hoạt động thường xuyên của tổ SXSH nội bộ (gồm 07 cán bộ kỹ thuật, tài chính và môi trường), thiết lập hệ thống quan trắc nội vi giám sát định mức tiêu hao nước, điện và than. Đồng thời, công ty cần gắn kết chỉ số tiết kiệm tài nguyên với quy chế khen thưởng định kỳ của cán bộ công nhân viên.

Kết luận

  • Thiết lập thành công mô hình cân bằng vật chất chi tiết cho dây chuyền sản xuất đường công suất 2.150 tấn mía/ngày tại Nhà máy đường Sơn Dương.
  • Nhận diện chuẩn xác 18 nguyên nhân thất thoát tài nguyên và lượng hóa toàn bộ chi phí dòng thải cho định mức 1.000 tấn đường kính trắng thành phẩm.
  • Đề xuất hệ thống 20 giải pháp Sản xuất sạch hơn toàn diện, bao gồm 16 giải pháp quản lý nội vi áp dụng tức thì và 3 giải pháp cải tiến công nghệ chiều sâu.
  • Chứng minh tính khả thi kinh tế - môi trường vượt trội của các giải pháp đầu tư trọng điểm với giá trị NPV dương, tỷ suất IRR trên 25% và thời gian hoàn vốn dưới 2 năm.
  • Đóng góp luận cứ khoa học vững chắc hỗ trợ các doanh nghiệp chế biến mía đường chuyển đổi mô hình tăng trưởng xanh theo định hướng Chiến lược Sản xuất sạch hơn của Chính phủ.

Kế hoạch hành động tiếp theo được phân kỳ rõ ràng: Giai đoạn 1 (03 tháng đầu vụ ép) tập trung siết chặt quản lý nội vi và áp dụng cơ chế thu mua theo CCS; Giai đoạn 2 (06 đến 09 tháng nghỉ vụ) triển khai lắp đặt hệ thống tuần hoàn nước và thay thế máy trống lọc bùn màng.

Các nhà quản lý doanh nghiệp và kỹ sư công nghệ môi trường hãy chủ động nghiên cứu, áp dụng ngay mô hình Sản xuất sạch hơn từ luận văn thạc sĩ của tác giả Phạm Văn Biên để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và nâng cao năng lực cạnh tranh bền vững cho đơn vị mình.